1.7. Ультразвуковые линии задержки с пьезоэлектрическими преобразователями

Принцип действия этих линий задержки основан на задержке объемных акустических волн. Схематически устройство таких линий показано на рис. 1.4. Время задержки сигнала определяется длиной задерживающей среды L и скоростью распространения ультразвуко­вых колебаний U:

T _з =L\U

где U=

Е - модуль упругости материала среды;

ρ - плотность среды.

Вследствие небольшой скорости распространения ультразвуко­вых колебаний в твердых средах удается получить малогабаритные ультразвуковые линии задержки (УЛЗ) с большим временем задержки. Для осуществления преобразования электрических колебаний в меха­нические (вход УЛЗ) и наоборот, механических колебаний в электри­ческие (выход УЛЗ) применяются электромеханические преобразова­тели. УЛЗ с пьезоэлектрическими преобразователями применяются для задержки радиоимпульсов с частотой заполнения от единиц до десятков мегагерц. Они могут применяться для задержки и видео­сигнала, но в этом случае наблюдаются существенные искажения формы выходного сигнала. Упрощенная конструкция УЛЗ приведена на рис. 1.10. К концам звукопровода примыкают акустически нагруженные пьезоэлектрические преобразователи, выполняющие роль излучателя и приемника ультразвуковых колебаний.

Рис 1.8

Рис 1.9

Рис 1.10

В звукопроводах, рассматриваемых УЛЗ используются продоль­ные (пластины X-среза) и поперечные (пластины Y -среза) объем­ные акустические волны. Последние имеют скорость распростране­ния на 30-40% меньше и, поэтому их использование в УЛЗ на отно­сительно большие времена задержки являются более предпочтитель­ным, т.к. позволяет уменьшить габариты звукопровода.

Наибольшее распространение получили кварцевые пьезоэлектри­ческие преобразователи, характеризующиеся высокой стабильностью параметров.

Толщина пластины d мм связана с резонансной частотой соотношением f ₀ =k\d [МГц], где коэффициент k зависит от среза и лежит в пределах 2,6-4. Для возбуждения на основной частоте вдоль толщины пластины должна укладываться половина длины вол­ны. При частотах порядка десятков мегагерц толщина пластины сос­тавляет сотые доли миллиметра. Поскольку изготовление таких пластин весьма сложно, используют более толстые пластины, возбуж­даемые на нечетных гармониках. Площадь пластины соизмерима с сечением звукопровода, а её форма выбирается из условия подавле­ния колебаний высоких порядков.

Полоса пропускания кварцевого преобразователя, нагру­женного с обеих сторон одинаково и возбужденного на основной частоте f₀ , определяется выражением

= f₀ R_аз \ R_ак

где R_аз и R_ак - акустические сопротивления звукопровода и кварца соответственно. Акустические сопротивления определяются как произведение плотности материала на скорость распространения колебаний данного вида. С целью уменьшения отражений от границы их раздела подбирают материал звукопровода так, чтобы его акус­тическое сопротивление было близким к акустическому сопротивле­нию кварца. Если возбуждение кварца происходит на n-й гармо­нике, полоса пропускания сужается примерно в n раз.

Материал звукопровода должен быть возможно более однород­ным, т.к. неоднородности приводят к отражению волн и появлению паразитных сигналов на выходе линий. Наибольшее распространение получили звукопроводы из плавленного кварца и специальных магние­вых сплавов. Промежуточное положение занимают звукопроводы из

монокристаллов хлористого натрия и хлористого калия. Скорость распространения акустических волн в звукопроводах лежит в пре­делах от 3 до 6 км/с.

Важным параметром материала звукопровода является затуха­ние акустических волн на 1 см длины звукопровода. Затухание в плавленном кварце на частоте 10 МГц примерно равно 0,04-0,05 дБ/см а в магниевых сплавах 0,07-0,1 дБ/см.

Структурная схема устройства с УЛЗ представлена на рис.1.1. Основные требования, предъявляемые к модулятору - линейность модуляционной характеристики и стабильность несущей частоты. Один из вариантов схемы модулятора приведен на рис. I.I2. Амплитуда колебаний генератора в широких пределах зависит от тока эмиттера транзистора V₂. Конденсаторы C1, С2 - обратной связи. Модулирующий каскад (транзистор Vl ) собран по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является эмиттерный переход транзистора V2. Параметры контура генератора L , СЗ, R выбираются из условия согласования со входом линии задержки

L= ; R=q

Где Со - емкость преобразователя (в среднем несколько десятков пикофарад);

- полоса линии;

q - коэффициент, определяющий степень сужения полосы линии при согласовании (обычно (q≤ 0,5-0,7).

Широкое применение в технике цветного телевидения находят ультразвуковые линии задержки, например, типа УЛ364-2. Рабочая частота линии задержки составляет 4,3 МГц при ширине полосы пропускания от 3,3 до 5,3 МГц на уровне 0,707 от максимального значения. Время задержки - 64 мкс.